KR20080023398A - 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서는 연성 기판으로 형성되어 외부에서 인가되는 힘에 따라 기계적 변형으로 되는 멤브레인, 멤브레인의 기계적 변형에 따라 저항이 변화되는 실리콘 나노와이어 및 실리콘 나노와이어의 양측에 위치하는 복수의 전극을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서는 외부에서 가해지는 충격에도 강하며 고 감도인 힘 센서를 제공할 수 있으며, 실리콘 나노와이어에 불순물의 도핑농도를 조절함으로써 다양한 응용분야에 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서는 복수의 실리콘 나노와이어를 가지는 힘 센서를 형성할 수 있으며, 이때 형성되는 실리콘 나노와이어의 개수를 조절할 수 있어, 힘 센서의 감도를 용이하게 조절하고 단축에서 다축 감지도 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
실리콘 나노와이어, 멤브레인, 힘 센서
Description
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 평면도,
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서 센싱부의 단면도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서의 단면도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘 센서의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 기판 110, 210, 310 : 멤브레인
120, 230, 330 : 실리콘 나노와이어 130, 220, 340 : 전극
140 : 전극 패드 150 : 외부 검출기
본 발명은 나노와이어를 이용한 힘 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멤브레인은 연성 재질의 것을 사용하고, 감지요소는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
외부 힘에 대한 정보 측정은 실리콘 또는 연성 폴리머를 얇은 멤브레인(membrane) 형태로 제작한 후, 이의 상부에 변형을 감지할 수 있는 센서를 제조함으로써 이루어진다. 변형감지를 위한 센서는 압저항 변화를 감지함으로써 이룰 수 있으므로 이를 제조하기 위한 물질과 그 형성 방법으로 통상 실리콘을 도핑하거나 산화 아연(ZnO), 티탄산지르코산납(PZT) 등과 같은 압전물질(piezo material) 및 금속(metal) 등을 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 센싱 요소를 생성하는 방법이 많이 연구되고 있다.
이러한 구조물은 외부 힘에 대해 멤브레인의 변형이 가장 크게 발생할 수 있는 부분에 감지 요소를 상/하/좌/우 네 방향으로 위치시키며, 범프(bump) 등을 통해 외부 힘에 대한 멤브레인의 X, Y, Z 3방향으로 변형 및 응력 분포에 의한 저항변화를 통해 힘 정보의 감지가 가능하다.
이중, 실리콘 기판으로 멤브레인을 형성시켜 제조한 힘 측정 소자의 경우, 실리콘 표면에 인화인듐(InP), 보론(B) 등과 같은 이온을 도핑하거나 같은 압전물질 또는 크롬화니켈(NiCr) 등과 같은 금속을 이용하여, 외부 힘으로 인한 멤브레인의 변형정도에 대한 감지 요소의 저항값 변화를 측정하여 외부 힘에 대한 정보를 인식한다.
하지만, 실리콘 기판으로 멤브레인을 형성시켜 제조한 힘 측정 소자는 자체가 단단한(Rigid) 실리콘 구조로 형성되어 있으므로 휨이 제한적이며 곡면에도 적 용할 수 있는 감지 소자로 제조하기가 다소 어려우며, 외부의 강한 충격에 대해 멤브레인이 쉽게 파손되는 문제가 있다.
그리고, 폴리머로 멤브레인을 형성시켜 제조한 힘 측정 소자의 경우, 위의 실리콘 기판을 이용하여 멤브레인을 형성시켜 제조한 힘 측정 소자와는 달리 재료 자체의 연성(flexible)인 성질을 최대로 이용할 수 있어, 다양한 형태의 표면에 부착이 가능하며, 외부의 강한 충격에도 센서가 쉽게 파괴되지 않는다는 장점이 있다. 하지만 감지 요소의 형성 과정에서 이온 도핑과 같은 제조 방법은 사용이 불가능하며, 압전물질이나 금속 등과 같은 물질을 사용해서 만들 수밖에 없다.
그러나, 종래의 힘 센서에 적용된 압전물질이나 금속은 도핑된 실리콘에 비하여 게이지 팩터(gauge factor)가 수십 분의 일정도로 적으므로 더 큰 저항변화를 얻을 수 없어 외부에서 가해지는 힘에 대한 정보를 정확하게 감지할 수 없거나 신호를 증폭해야하는 문제점이 있다.
즉, 종래의 폴리머로 멤브레인을 형성시켜 제조한 힘 측정 소자의 경우는 센서의 감도를 향상시킬 수 없는 단점이 있는 것이다.
본 발명의 목적은 연성 멤브레인상에 실리콘 나노와이어로 감지요소가 형성된 힘 센서 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 연성 멤브레인상에 불순물이 도핑된 실리콘 나노와이어로 감지요소를 형성하여 고감도의 힘 센서 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 나노와이어에 도핑되는 불순물의 양의 조절을 통하여 감지요소의 저항을 용이하게 설정할 수 있는 힘 센서 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 감지 요소를 연성 멤브레인에 직접 전사시켜 용이하고 안정적인 힘 센서 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 연성 멤브레인에 나노와이어를 전사시켜 감지요소의 집적화를 용이하게 함으로써 감지요소의 고밀화를 쉽게 얻을 수 있는 힘센서 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층된 멤브레인 구조의 힘 센서 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서는 연성 기판으로 형성되어 외부에서 인가되는 힘에 따라 기계적 변형으로 되는 멤브레인, 멤브레인의 기계적 변형에 따라 저항이 변화되는 실리콘 나노와이어 및 실리콘 나노와이어의 양측에 위치하는 복수의 전극을 포함한다.
본 발명에 있어서, 실리콘 나노와이어는 불순물이 도핑된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 멤브레인은 적어도 하나 이상의 고분자 물질로 형성되어 있으며, 단층 또는 다층구조이다.
본 발명에 있어서, 실리콘 나노와이어는 적어도 하나 이상의 어레이 형태로 배열되어 힘 센서에 적용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 실리콘 나노와이어의 중앙부는 상기 멤브레인의 기계적 변형시 응력이 최대가 되는 곳에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 실리콘 나노와이어 및 전극의 상부에 단층 또는 다층의 멤브레인이 형성될 수도 있다.
이와 같은 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서의 제조방법은, 단결정 실리콘 기판을 이용하여 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계, 실리콘 나노와이어를 연성 물질로 형성된 멤브레인에 전사시키는 단계 및 실리콘 나노와이어의 양측에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 제조방법은, 단결정 실리콘 기판을 이용하여 불순물이 도핑된 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계, 실리콘 나노와이어를 연성 물질로 형성된 멤브레인에 전사시키는 단계 및 실리콘 나노와이어의 양측에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 힘 센서 제조방법에 있어서, 실리콘 나노와이어 및 상기 금속 전극이 형성된 멤브레인의 상부에 단층 혹은 다층의 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 힘 센서 제조방법에 있어서, 실리콘 나노와이어를 멤브레인에 전사시키는 단계는, 실리콘 나노와이어를 멤브레인의 의도한 부분에 반복적으로 전사한다.
앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 종래의 힘 센서 구조의 장점들만을 취합한 것으로서 실리콘 나노와이어를 힘 센서의 감지요소로 이용한다.
즉, 본 발명에 따른 힘 센서에 힘이 가해지면 멤브레인에 변형이 일어나고, 이러한 멤브레인의 변형에 따라 감지요소인 실리콘 나노와이어에 압저항 변화, 전압 및 전류의 변화가 발생하게 되며, 이러한 변화들을 통하여 멤브레인의 변형 정도를 측정함으로써 힘 센서에 가해지는 힘을 알 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.
[일실시예]
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예 따른 힘 센서의 평면도 및 단면도이 다.
본 발명에 따른 힘 센서는 고분자 재질의 연성 기판(100)상에 형성한다. 기판(100)상에는 외부에서 가해지는 힘에 의하여 변형할 수 있는 멤브레인(110)을 형성하며, 멤브레인(110)의 상부 또는 하부에 감지요소인 실리콘 나노와이어(120)를 전사한다.
이때, 실리콘 나노와이어(120)는 그 선폭이 수십 나노미터(nm)로 힘 센서의 감도를 증가시키고, 소자의 축소를 가능하게 하여 집적화를 용이하게 한다.
실리콘 나노와이어는 단결정 실리콘 웨이퍼에 사진 식각 공정과 실리콘 건식식각 및 습식식각 공정으로 나노와이어 패턴을 제작한 후 실리콘 열산화 공정과 산화막 제거 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
이와 같은, 실리콘 나노와이어(120)는 제조 과정 중 불순물 도핑공정을 수행하여 불순물이 도핑된 나노와이어를 용이하게 얻을 수 있다. 불순물이 도핑된 나노와이어는 금속 및 기타 압전물질에 비하여 게이지 팩터가 수십 배 정도 크므로 더 큰 저항변화 및 신호변화를 얻을 수 있어 고 감도의 힘 센서를 얻을 수 있으며, 불순물의 도핑 농도 조절을 통하여 저항을 용이하게 조절할 수 있으므로 다양한 분야에 용이하게 적용가능하다.
또한, 실리콘 나노와이어(120)는 반복적인 전사공정, 혹은 실리콘 나노와이어 어레이의 전사를 통하여 복수의 실리콘 나노와이어(120)를 가지는 힘 센서를 형성할 수 있어 감지요소의 집적화를 용이하게 하며 이는 감지요소의 고밀화를 쉽게 얻을 수 있음을 의미한다. 그리고, 이때 형성되는 실리콘 나노와이어(120)의 개수 를 조절하여 힘 센서의 감도를 용이하게 조절하며, 각각의 실리콘 나노와이어(120)에서 발생하는 휨 변형을 분석을 통하여 단축에서 다축 감지도 용이하게 조절할 수 있다.
실리콘 나노와이어(120)의 전사공정은, 실리콘 나노와이어(120)가 전사될 영역 즉, 멤브레인(110)상에 점착특성이 좋은 포토레지스트(photoresist)와 같은 폴리머(polymer)나 점착제 등을 이용하여 이루어질 수 있으며, 본딩(bonding) 공정을 통해 실리콘 나노와이어(120)를 직접 멤브레인(110)상에 고정시킬 수도 있다.
실리콘 나노와이어(120)의 트랜스퍼가 이루어진 후 사용된 점착제는 산소 플라즈마를 이용한 건식식각으로 제거하게 되고, 점착제 제거 후에도 실리콘 나노와이어(120)는 표면점착에 의해 그대로 남아 있게 된다.
이후, 전사된 실리콘 나노와이어(120)의 일측 혹은 양측에 전기적 변화를 감지할 수 있도록 전극(130)을 형성한다.
전극(130)은 저항이 낮은 금속 더욱 상세하게는 금(Au) 또는 알루미늄(Al)등을 이용하여 형성한다. 그리고 이러한 전극(130)은 전극 패드(140)와 이에 연결된 신호선을 통하여 외부 검출기(150)와 전기적으로 연결된다.
한편, 전사된 실리콘 나노와이어는 멤브레인의 변형 시 탈착될 가능성이 있으므로 전사 후, 그의 상부에 연성 고분자층을 단층 혹은 다층으로 형성하거나, 에폭시 또는 와니스(varnish) 등과 같은 물질을 얇게 도포하여 실리콘 나노와이어의 탈착을 미연에 방지하고 이와 더불어 실리콘 나노와이어 및 전극을 보호할 수 있다.
이러한, 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서는 온(On)/오프(Off) 스위치 등과 같이 하나의 개별 소자로, 로봇 및 사람의 인공피부 등에 응용을 위해 어레이(array) 형태로 제작하여 적용이 가능하다.
[다른 실시예]
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서의 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서는 도 2와 같이 하면에 요홈이 형성된 기판(200)의 상면에 일정두께로 멤브레인(210)이 형성되며, 이러한 멤브레인(210)의 상면에 실리콘 나노와이어(230)와 전극(220)이 각각 형성된다. 그리고, 외부의 힘에 의하여 휨 변위가 발생할 경우, 멤브레인 상에 가장 응력이 집중되는 영역(240)을 중심으로 실리콘 나노와이어가 전사된다. 이는 응력이 집중되는 영역이 실리콘 나노와이어의 저항변화를 크게 발생시키므로 센서의 감도를 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서 또한, 본 발명의 일실시예와 같은 공정을 통하여 형성할 수 있으며, 불순물이 도핑된 실리콘 나노와이어를 적용하여 힘 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 적용된 기판(200) 및 멤브레인(210)은 본 발명의 일실시예와 같이 연성 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 전사된 실리콘 나노와이어 및 전극의 상부에 연성 고분자층을 단층 혹은 다층으로 형성하거나, 에폭시 또는 와니스 등과 같은 물질을 얇게 도포하여 실리콘 나노와이어의 탈착을 미연에 방지하고 이와 더 불어 실리콘 나노와이어 및 전극을 보호한다.
[또 다른 실시예]
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘 센서의 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 힘 센서는 도 3과 같이 복수층으로 이루어진 멤브레인(310, 320) 내부에 감지요소인 실리콘 나노와이어(330)와 전극(340)을 형성하여 힘 센서의 감지요소를 안정적으로 보호하도록 한다.
이때, 멤브레인은 본 발명의 일실시예와 같이 연성 재질의 것을 사용한 것이 바람직하며, 본 발명의 또 다른 실시예와 같은 구조의 힘 센서의 경우 외부의 강한 충격에도 센서가 쉽게 파괴되지 않아 센서의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 힘 센서는 연성 멤브레인 상에 실리콘 나노와이어로 감지요소를 형성함으로써, 외부에서 가해지는 충격에도 강하며 고 감도인 힘 센서를 제공할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 힘 센서는 불순물이 도핑된 실리콘 나노와이어로 감지요소를 형성함으로써, 힘 센서의 감도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 불순물의 도핑농도를 조절함으로써 다양한 응용분야에 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 힘 센서는 복수층으로 이루어진 멤브레인의 내부에 감지요소인 실리콘 나노와이어를 형성하여 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 힘 센서는 복수의 실리콘 나노와이어를 가지는 힘 센서를 형성할 수 있으며, 이때 형성되는 실리콘 나노와이어의 개수를 조절할 수 있어, 힘 센서의 감도를 용이하게 조절하고 단축에서 다축 감지도 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 힘 센서 제조방법은 종래에 비하여 그 공정이 매우 단순하므로 공정의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 안정적인 성능을 가진 힘 센서를 제조할 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 연성 기판으로 형성되어 외부에서 인가되는 힘에 따라 기계적 변형으로 되는 멤브레인;상기 멤브레인의 기계적 변형에 따라 저항이 변화되는 실리콘 나노와이어; 및상기 실리콘 나노와이어의 양측에 위치하는 복수의 전극을 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어는 불순물이 도핑되는 것을 특징으로 하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은 적어도 하나 이상의 고분자 물질인 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 멤브레인은 단층 또는 다층으로 형성된 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어는 적어도 하나 이상인 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어의 중앙부는 상기 멤브레인의 기계적 변형시 응력이 최대가 되는 곳에 위치하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어 및 상기 전극의 상부에 단층 또는 다층의 멤브레인이 형성된 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 제 5 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어는 어레이 형태로 배열된 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서.
- 단결정 실리콘 기판을 이용하여 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;상기 실리콘 나노와이어를 연성 물질로 형성된 멤브레인에 전사시키는 단계; 및상기 실리콘 나노와이어의 양측에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 제조방법.
- 단결정 실리콘 기판을 이용하여 불순물이 도핑된 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;상기 실리콘 나노와이어를 연성 물질로 형성된 멤브레인에 전사시키는 단계; 및상기 실리콘 나노와이어의 양측에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 제조방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어 및 상기 금속 전극이 형성된 멤브레인의 상부에 단층 혹은 다층의 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 제조방법.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,상기 실리콘 나노와이어를 멤브레인에 전사시키는 단계는, 반복적으로 수행하는 실리콘 나노와이어를 이용한 힘 센서 제조방법.
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2006
- 2006-09-11 KR KR1020060087229A patent/KR20080023398A/ko not_active Ceased
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